Ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán : Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các Ứng dụng khác nhau của Bộ khuếch đại thuật toán. Op-Amps là một trong những mạch tương tự cơ bản có nhiều cách triển khai. Chúng ta sẽ tìm hiểu một số Ứng dụng Bộ khuếch đại thuật toán quan trọng nhưng được sử dụng phổ biến hơn trong bài đăng này.
Bộ so sánh Op-amp
Bộ so sánh, trong điện tử, là một cấu hình mạch so sánh hai điện áp (hoặc dòng điện) và cho biết điện áp nào lớn hơn. Do đó, các đầu vào cho bộ so sánh phải khác về bản chất. Các bộ so sánh có thể dễ dàng được định cấu hình bằng cách sử dụng op-amps, vì op-amps có đầu vào độ lợi cao và chênh lệch cân bằng.
Về mặt lý thuyết, một op-amp trong cấu hình vòng hở (không có phản hồi) có thể được sử dụng làm bộ so sánh. Khi điện áp đầu vào tại cực không nghịch đảo V + lớn hơn điện áp tại cực đầu vào đảo V – , đầu ra của op-amp bão hòa ở cực dương của nó. Khi điện áp đầu vào không đảo giảm xuống dưới điện áp đầu vào đảo, đầu ra op-amp chuyển sang mức bão hòa âm của nó. Mạch so sánh được sử dụng rộng rãi nhất trong các bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC) và trong các bộ dao động.
Bộ so sánh đảo dùng Op-amp
Trong bộ so sánh đảo , điện áp đầu vào V in được áp dụng cho đầu vào đảo của op-amp và đầu vào không đảo được kết nối với điện áp chuẩn, thông qua điện trở R 1 và R 2 . Miễn là điện áp đầu vào V trong nhỏ hơn điện áp tham chiếu V ref , đầu ra của op-amp vẫn bão hòa dương. Khi V in cao hơn điện áp tham chiếu, đầu ra của op-amp chuyển sang mức bão hòa âm của nó và vẫn bão hòa âm miễn là V in nhỏ hơn V ref . Mạch của bộ so sánh sử dụng op-amp được hiển thị trong hình bên dưới.
Bằng cách chọn các giá trị của điện trở R 1 và R 2 , điện áp tham chiếu V ref có thể được điều chỉnh và bộ so sánh có thể được sử dụng để so sánh điện áp đầu vào với điện áp tham chiếu tương ứng.
V ra = + V sat ; nếu V trong <V ref
= -V sat ; nếu V in > V ref
Các dạng sóng đầu vào và đầu ra của bộ so sánh đảo op-amp được thể hiện trong hình bên dưới.
Bộ so sánh không đảo dùng Op-amp
Trong trường hợp bộ so sánh op-amp không đảo, điện áp đầu vào V in được áp dụng cho đầu vào đầu vào không đảo và điện áp tham chiếu, V ref , được kết nối với đầu vào đầu vào đảo. Khi điện áp đầu vào V trong lớn hơn điện áp tham chiếu V ref , thì đầu ra op-amp được bão hòa dương. Trong thực tế, sự khác biệt (V trong -V ref ) sẽ là một giá trị dương. Vì không có phản hồi đến đầu vào op-amp, độ lợi vòng mở của op-amp sẽ là vô cùng. Do đó đầu ra sẽ chuyển sang giá trị lớn nhất có thể, + Vsat. Khi điện áp đầu vào giảm xuống dưới điện áp tham chiếu, đầu ra sẽ chuyển sang điện áp bão hòa âm của nó.
V ra = + V sat ; nếu V in > V ref
= -V sat ; nếu V trong <V ref
Bộ khuếch đại lôgarit Op-amp Ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán
Một bộ khuếch đại thuật toán có thể được cấu hình để thuật toán như một bộ khuếch đại Logarit, hoặc đơn giản là bộ khuếch đại Log. Bộ khuếch đại log là một cấu hình mạch phi tuyến tính, trong đó đầu ra là K nhân với giá trị logarit của điện áp đầu vào được áp dụng. Bộ khuếch đại nhật ký tìm thấy các ứng dụng trong tính toán như nhân và chia tín hiệu, tính lũy thừa và gốc, nén và giải nén tín hiệu, cũng như trong điều khiển quá trình trong các ứng dụng công nghiệp. Một bộ khuếch đại log có thể được xây dựng bằng cách sử dụng một bóng bán dẫn đường giao nhau lưỡng cực trong phản hồi tới op-amp, vì dòng điện thu của BJT có liên quan đến logarit với điện áp phát gốc của nó.
Mạch của một bộ khuếch đại log cơ bản sử dụng op-amp được hiển thị trong hình trên. Điều kiện cần thiết của bộ khuếch đại log để hoạt động là điện áp đầu vào luôn phải dương. Có thể thấy rằng V out = – V be .
Vì đầu cực thu của bóng bán dẫn được giữ ở mặt đất ảo và đầu cuối cơ sở cũng được nối đất, mối quan hệ điện áp-dòng điện trở thành mối quan hệ của một diode và được cho bởi,
I E = I S. [e q (Vbe) / kT – 1]
Ở đâu,
I S = dòng bão hòa,
k = hằng số Boltzmann
T = nhiệt độ tuyệt đối (tính bằng K)
Vì I E = I C đối với bóng bán dẫn cơ sở nối đất,
Tôi C = I S . [e q (Vbe) / kT – 1]
(I C / I S ) = [e q (Vbe) / kT – 1]
(I C / I S ) + 1 = [e q (Vbe) / kT ]
(I C + I S ) / I S = e q (Vbe) / kT
e q (Vbe) / kT = (I C / I S ) vì I C >> I S
Lấy log tự nhiên trên cả hai vế của phương trình trên, chúng ta nhận được
V be = (kT / q) ln [I C / I S ]
Dòng thu I C = V in / R 1 và V out = -V be
Vì thế,
V ra = – (kT / q) ln [V in / R 1 .I S ]
Do đó, đầu ra của mạch tỷ lệ với log của điện áp đầu vào. Tuy nhiên, đầu ra phụ thuộc vào dòng điện bão hòa thay đổi từ bóng bán dẫn này sang bóng bán dẫn khác và cũng với nhiệt độ. Các mạch bù có thể được thêm vào để ổn định đầu ra chống lại các biến thể này.
Bộ khuếch đại chống lôgarit hoặc Bộ khuếch đại hàm mũ
Bộ khuếch đại chống logarit hoặc khuếch đại hàm mũ (hoặc đơn giản là bộ khuếch đại antilog) là một cấu hình mạch op-amp, có đầu ra tỷ lệ với giá trị hàm mũ hoặc giá trị phản log của đầu vào. Bộ khuếch đại Antilog hoàn toàn ngược lại với bộ khuếch đại log. Bộ khuếch đại Antilog cùng với bộ khuếch đại log được sử dụng để thực hiện các phép tính tương tự trên tín hiệu đầu vào. Mạch của bộ khuếch đại antilog sử dụng op-amp được hiển thị trong hình bên dưới.
Cần lưu ý rằng bằng cách hoán đổi vị trí của bóng bán dẫn và điện trở, bộ khuếch đại log có thể được thực hiện như bộ khuếch đại antilog. Điện áp cực thu cơ sở của bóng bán dẫn được duy trì ở điện thế mặt đất, từ khái niệm mặt đất ảo. Dòng điện I E cho bóng bán dẫn được đưa ra bởi,
I E = I S. [e q (Vbe) / kT – 1]
Đối với một transistor cơ sở căn cứ, tôi E = I C . Vì thế,
I C = I S. [E q (Vbe) / kT – 1]
Trong đó, I S = dòng điện bão hòa của bóng bán dẫn,
V ra = I C .R 1
V out = I S. [E q (Vbe) / kT – 1] .R 1
Ngoài ra, đối với đoạn mạch trên, V in = -V be . Vì thế,
V ra = R 1 .I S. [E q (-V in ) / kT – 1]
Bộ khuếch đại Antilog cũng có đầu ra không ổn định, do các biến thể trong I S đối với các bóng bán dẫn khác nhau và sự phụ thuộc vào nhiệt độ. Mạch bù có thể được thêm vào để ổn định đầu ra chống lại các biến thể như vậy.
Bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp – Ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán
Bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp bộ khuếch đại thuật toán, còn được gọi là bộ khuếch đại trở kháng xuyên, là một mạch chuyển đổi sự thay đổi của dòng điện đầu vào thành điện áp đầu ra tương ứng. Mạch chuyển đổi dòng điện sang điện áp được sử dụng phổ biến nhất để khuếch đại đầu ra hiện tại của điốt quang, máy dò quang, máy đo gia tốc và các thiết bị cảm biến khác đến mức điện áp có thể sử dụng được.
Mạch biến đổi dòng điện thành điện áp đơn giản sẽ có một điện trở hồi tiếp, có giá trị điện trở lớn. Độ lợi của bộ khuếch đại phụ thuộc vào điện trở này. Tùy thuộc vào ứng dụng, bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp có thể được cấu tạo theo những cách khác nhau. Tất cả các cấu hình chuyển đổi đầu ra dòng điện mức thấp của thiết bị cảm biến thành mức điện áp đáng kể. Độ lợi và băng thông của mạch thay đổi với các loại cảm biến khác nhau.
Mạch của một bộ biến đổi điện áp cơ bản được hiển thị trong hình trên. Thiết bị cảm biến, trong trường hợp này là một diode quang, và nó được kết nối với đầu cuối đầu vào đảo và đầu cuối đầu vào không đảo được nối đất. Điều này cung cấp tải trở kháng thấp cho diode quang, giúp giữ điện áp trên diode quang thấp. Độ lợi cao của op-amp giữ cho dòng quang diode, Ip, bằng dòng phản hồi qua điện trở R f . Điện áp bù đầu vào do diode quang rất thấp, vì diode quang không có phân cực bên ngoài. Điều này cung cấp một mức khuếch đại đầu ra lớn, không có bất kỳ điện áp bù đầu ra nào.
Điện áp đầu ra của mạch trên có thể được cho là,
V ra = – I P .R f
Phương trình trên chỉ thỏa mãn đối với bộ biến đổi dòng điện thành điện áp độ lợi tần số thấp và DC. Nếu độ lợi lớn, bất kỳ điện áp bù đầu vào nào ở đầu vào không đảo của op-amp sẽ dẫn đến điện áp bù đầu ra. Để giảm thiểu những ảnh hưởng này, các bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp thường được thiết kế với FET ở đầu vào op-amp, có điện áp bù đầu vào rất thấp.
Op-amp Inverter – Ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán
Hình trên cho thấy mạch của một bộ khuếch đại nghịch đảo điển hình sử dụng một op-amp. Đoạn mạch dùng nối tiếp âm, qua điện trở R f . Tín hiệu đầu vào được áp dụng cho đầu cuối đầu vào đảo và đầu cuối đầu vào không đảo được nối đất.
Vì dòng điện đầu vào cho op-amp lý tưởng là bằng không, nên dòng điện I do điện áp đầu vào chạy qua các điện trở R 1 và R f . Điện áp đầu vào và đầu ra có thể được tính bằng,
V in = IR 1
V out = -IR f
Do đó, hệ số khuếch đại vòng kín của mạch, A CL , là
A CL = V ra / V vào = – (IR f / IR 1 ) = -R f / R 1
Do đó, điện áp đầu vào V in được khuếch đại bởi -R f / R 1 lần ở đầu ra. Có thể lưu ý rằng nếu điện trở của cả hai điện trở, R 1 và R f , bằng nhau thì điện áp đầu ra là,
V ra = – V vào
Một mạch như vậy được gọi là bộ đệm đảo, hoặc đơn giản là Biến tần.
Bộ khuếch đại không đảo Op-amp
Bộ khuếch đại không đảo là cấu hình mạch op-amp tạo ra tín hiệu đầu ra được khuếch đại cùng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng. Bộ khuếch đại không đảo sử dụng kết nối phản hồi âm, nhưng thay vì cấp toàn bộ tín hiệu đầu ra cho đầu vào, chỉ một phần của điện áp tín hiệu đầu ra được đưa trở lại làm đầu vào cho đầu vào đảo của op-amp.
Hình trên cho thấy một bộ khuếch đại không nghịch đảo điển hình. Tín hiệu đầu vào được áp dụng cho thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo và đầu ra được đưa đến thiết bị đầu cuối đầu vào đảo thông qua mạng phân chia tiềm năng điện trở.
Khi tín hiệu đầu vào thuận chiều được áp dụng cho cực đầu vào không đảo, điện áp đầu ra sẽ thay đổi để giữ cho cực đầu vào đảo bằng với điện áp đầu vào được áp dụng. Do đó, sẽ có một điện áp phản hồi được phát triển trên điện trở R 2 ,
V R2 = V IN = I 2 R 2
Trong đó, I 2 là dòng điện chạy tại điểm nối của điện trở R 1 và R 2 .
V RA = I 2 (R 1 + R 2 )
Từ các phương trình trên của V IN và V OUT , độ lợi điện áp vòng kín của bộ khuếch đại không đảo có thể được tính như sau:
A CL = V OUT / V IN
= I 2 (R 1 + R 2 ) / I 2 R 2
= (R 1 + R 2 ) / R 2
A CL = 1 + (R 1 / R 2 )
Phương trình khuếch đại trên là dương, cho thấy rằng đầu ra sẽ cùng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng. Độ lợi điện áp vòng kín của bộ khuếch đại không đảo được xác định bằng tỷ số của điện trở R 1 và R 2 được sử dụng trong mạch.
Các bộ khuếch đại không nghịch đảo thực tế sẽ có một điện trở mắc nối tiếp với nguồn điện áp đầu vào, để giữ cho dòng điện đầu vào bằng nhau ở cả hai đầu cuối đầu vào.
Tóm tắt các Ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán
Bài viết này trình bày tổng quan về nhiều ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán. Một op-amp có thể được sử dụng để thực hiện các phép toán khác nhau như cộng, trừ, nhân cùng với các phép tính toán như phân biệt và tích hợp. Op-amps được sử dụng cho nhiều ứng dụng như khuếch đại tín hiệu AC và DC, bộ lọc, bộ dao động, bộ điều chỉnh điện áp, bộ so sánh trong hầu hết các thiết bị dân dụng và công nghiệp. Ngày nay, op-amps là khối xây dựng rất phổ biến trong các mạch điện tử tương tự.